留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

2022年  第37卷  第9期

气动热力学与总体设计
一种可重复出水两栖无人飞行器多循环推进系统方案
田钧, 解玉范, 龙飞, 刘琴
2022, 37(9): 1793-1806. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210415
摘要:

针对一种可重复出水的两栖无人飞行器(UAV)总体方案及任务需求,提出一种水下采用泵喷水推进、出水采用液体火箭发动机推进、空中巡航采用涡扇发动机推进的多循环推进系统方案。根据推进系统技术发展现状、趋势,不同发动机循环特点、各阶段推力需求及多循环任务需求,开展了多循环方案设计方法研究,并计算出典型推进系统方案尺寸、质量、任务剖面燃油消耗质量等参数,验证了推进系统多循环方案及其设计方法的可行性,结果表明:综合未来飞行器及推进系统技术发展水平,所设计的多循环推进系统方案,能够实现无人飞行器可重复出水需求,其中能源需求占全机总质量的比例为26%左右。

多孔前缘抑制圆柱⁃翼型干涉噪声实验
王勇, 郝南松, 赖庆仁, 李文建
2022, 37(9): 1807-1814. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210313
摘要:

为了抑制圆柱⁃翼型干涉噪声,提出了仿生多孔前缘结构的降噪措施,并在0.55 m×0.4 m声学风洞中进行了实验验证。针对典型构型,对比确定了多孔金属泡沫降低圆柱⁃翼型干涉峰值噪声和中高频噪声的效果。3种不同ppi(pores per inch)值多孔金属泡沫的详细声学测量结果表明,所提出的多孔前缘结构能在翼型迎角为0°和10°时,分别降低最多4.10 dB和4.67 dB的圆柱⁃翼型干涉峰值噪声,且能明显降低峰值频率右侧的中高频噪声;多孔材料的占比越大、ppi值越小,整体降噪效果越好。

定/变热线过热比跨超声速流场湍流度测量
朱博, 熊波, 吴巍, 王宁
2022, 37(9): 1815-1823. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210575
摘要:

开展了基于定、变热线过热比方法测量跨超声速流场湍流度的比较研究,以满足高速飞行器与发动机的跨超声速风洞高精度实验需求。在1.2 m暂冲式跨超声速风洞上,采用定过热比、变二过热比和变八过热比等三种热线测量方法,完成了马赫数为0.30~4.25的跨超声速流场湍流度测量研究。测量结果表明:变八过热比测量精度最高,实测湍流度的蒙特卡洛模拟不确定度为0.001%~0.033%;定过热比方法与变二过热比方法可实现更快速的测量,在马赫数为0.40~2.00范围内与变八过热比测量湍流度均值偏差约9%~18%。研究结果对跨超声速流场湍流度校测、飞行器实验鉴定和数值计算具有实际助益。

竹象虫后翅结构力学和空气动力学特性
许顺, 王鹏宇, 崔舒然, 陈晓明, 王骏冲, 付辰琦
2022, 37(9): 1824-1834. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220091
摘要:

为研究长足大象甲后翅结构特性和飞行过程的空气动力学特性,建立长足大象甲后翅翅脉特征曲线的数学模型,利用有限元软件对其进行均匀载荷、垂直载荷和扭转载荷3种不同载荷下的静态分析和模态分析。基于嵌套网格法在Fluent软件中模拟后翅上下扑动,分析不同扑动幅值、扭转角度和扑动频率下的后翅升力系数和阻力系数变化规律。结果表明:长足大象甲后翅翅脉分布具有良好的结构刚度和承载能力,在受到不同载荷时,位移和应力的变化较小,结构稳定性较强,并且后翅振动频率为90.312 Hz,与同类昆虫相比,更符合微型扑翼飞行翼研发要求。此外,模拟试验表明长足大象甲后翅可以通过改变扑动幅值、扭转角度和扑动频率来提高升力和推力以实现特技飞行。

对转涵道风扇桨叶高效设计方法
郭佳豪, 周洲, 李旭
2022, 37(9): 1835-1845. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210347
摘要:

基于叶素动量理论的对转涵道风扇桨叶设计方法虽然设计速度快,但设计精度不高。为提高设计方法的设计精度,同时保留设计的快速性,通过CFD计算对基于叶素动量理论的桨叶快速设计方法进行修正,提出一种耦合CFD修正的对转涵道风扇桨叶高效设计方法。通过CFD计算与修正设计的不断迭代,可使设计结果收敛至CFD计算结果,得到满足设计要求的桨叶。结果表明:MRF方法对对转涵风扇性能的求解精度不足,需采用非定常CFD方法。而通过CFD计算结果修正桨叶的拉力占比、入流角及叶素气动力后,对转涵道风扇总拉力设计精度提高10.4%,扭矩设计精度提高18.2%。文中提出的高效设计方法只需进行少量的CFD计算修正便能较好地满足设计要求,进行加速处理后,设计效率进一步提高25%。

一种基于双重空间网格结合的高效DSMC实现方法
杜松蔚, 王学德
2022, 37(9): 1846-1854. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210323
摘要:

基于双重空间网格结合策略,发展了一种高效率的贴体DSMC(direct simulation Monte Carlo)方法。通过将仿真分子在物理空间结构网格的位置坐标映射于计算空间的直角网格中,并在计算空间中完成分子所属网格单元的定位以及分子与边界是否发生作用的判断,从而结合结构网格的贴体性和直角网格的高效率计算的优点,提高DSMC方法的贴体性和计算效率。基于双重空间网格结合策略,通过直接映射和间接映射法分别建立DSMC程序,对微尺度收缩扩张喷管气体流动和超声速圆柱绕流进行模拟。数值结果表明:两种方法均很好地模拟出微喷管因尺度缩小导致的黏性效应和速度滑移现象以及超声速圆柱绕流发生的激波现象,具备有效性。与传统结构网格方法对比,两种方法的计算效率平均分别提高了3.85倍和2.85倍,具备高效性。

燃烧、传热、传质
飞机结冰的不确定性量化研究进展
郝云权, 赵大志, 李伟斌, 赵炜, 陈江涛
2022, 37(9): 1855-1871. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210611
摘要:

为深入认识影响飞机结冰的不确定性及其研究方法,从自然条件结冰、冰风洞试验、数值模拟等方面,介绍了飞机结冰不确定性来源,以蒙特卡洛法、多项式混沌法和随机配置法等为例,系统分析了各种不确定性量化方法在计算能力、求解精度等方面的优劣。考虑飞机结冰不确定性量化处于起步时期,重点综述了数值模拟中结冰条件不确定性对冰形和气动特性的影响。从结合单步法和多步法确定最佳结冰时间步长来提升结冰计算精度和效率、对其他关键部件进行结冰不确定性量化从而为更精细化的防/除冰系统的设计提供支撑,以及通过建立高精度的代理模型来代替原本复杂的数值模拟系统以应对考虑多个不确定性因素共同作用所带来的计算挑战等多个方面,全面展望不确定性量化方法及其在飞机结冰应用中的发展方向。

声激励下旋流钝体火焰的非线性响应实验
吴昀辉, 傅宸, 高怡, 王晓阳, 夏溪
2022, 37(9): 1872-1885. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210403
摘要:

在常压条件下对二甲醚贫燃预混旋流钝体火焰施加100 Hz的外加声激励,运用高速OH*化学发光成像和粒子图像测速锁相同步测量的实验方法,针对不同速度脉动比例下的火焰形态特征和流场特征的动态变化开展可视化测量,得到火焰描述函数。研究发现,随着声波幅值增大,火焰的热释放率将先线性增加,在到达扰动临界点后,火焰出现非线性响应现象,实验中的临界速度脉动比例为16%。同时,通过逆阿贝尔变换和本征正交分解等方法比较了火焰线性响应与非线性响应工况的流场和燃烧场差异,发现在非线性响应工况下火焰形态的涡卷起和流场中的外回流区涡脱落特征增强,这表明外回流区涡脱落增强现象可能是诱发火焰非线性响应的原因。

天然气氧化特性的实验与数值计算
田雨师, 曾文, 陈潇潇, 胡二江, 刘靖, 马宏宇
2022, 37(9): 1886-1895. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210409
摘要:

在流动管反应器中对压力为0.1 MPa、温度范围为500~1 850 K、当量比分别为0.5、1.0与3.5的工况条件下天然气(90%甲烷/7%乙烷/3%丙烷,体积分数)的氧化过程进行了实验测试。同时,通过全局敏感性分析方法,构建了天然气的简化反应动力学机理(38组分和149反应),并对天然气的氧化特性进行了数值计算。结果表明:随着当量比增大,燃料发生氧化反应的起始温度与终止温度逐渐升高,CO生成与消耗完全对应的反应温度逐渐升高,NO的生成量逐渐降低。天然气的简化反应机理可以很好地预测天然气氧化过程中主要组分摩尔分数随温度变化的整体趋势;但是在C3H8、C2H2、NO、NO2的起始反应温度或摩尔分数峰值的预测上与相应实验值存在差异。

航空发动机附件综合热管理性能分析
苏存要, 连文磊, 郝鑫, 任雪萍
2022, 37(9): 1896-1904. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210344
摘要:

针对航空发动机舱内附件面临的热问题,提出了以隔热、通油冷却、通风冷却等为热防护措施的综合热管理方案,通过实验研究了隔热、通油冷却、通风冷却对附件温度的影响,获得了机匣温度、初始燃油温度及燃油流量等对附件表面温度及进出口燃油温升的影响规律。结果表明:隔热能够显著降低附件表面温度增长速率,在100 min工作时间内能够有效控制附件表面温度保持在200 ℃以下;附件表面温度的主要影响因素为初始燃油温度、加热功率、燃油流量,其中初始燃油温度决定附件进口温度,加热功率、燃油流量决定附件进出口温差,三者共同决定附件表面温度;通风冷却对未采取通油冷却的附件有一定的冷却效果,对采取通油冷却的附件没有明显的冷却效果。

结构、强度、振动
纤维铺层方式对CFRP⁃铝合金单搭接胶接接头拉伸性能影响
邹田春, 李龙辉, 符记, 李晔, 巨乐章
2022, 37(9): 1905-1914. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210189
摘要:

为了分析异质材料胶接接头内部典型应力分布规律与刚度退化特点,探究不同铺层方式对异质材料单搭接胶接接头内部应力分布状态影响规律,开展试验和仿真相关研究。首先,制备不同铺层方式的CFRP(carbon fiber reinforce plastic)⁃铝合金单搭接胶接接头试验件,使用拉伸试验机进行拉伸试验,获得基本试验数据。其次,利用连续损伤模型、3D Hashin失效判据和Cohesive Zone Model研究异质材料胶接接头不同部位典型破坏特点。结果表明,随着复合材料板中0°铺层比例增加,胶接接头极限载荷呈现增加趋势,与之相反接头拉伸位移逐渐缩短。接头铺层方式与载荷方向共同影响胶接接头力学性能,当复合材料板内部各个方向纤维铺层较为均匀时,可以有效降低接头应力集中,载荷方向与铺层纤维方向一致时,可有效提高接头连接强度。复合材料板中0°铺层占比对接头的极限载荷和刚度退化(scalar stiffness degradation,SDEG)影响较大,0°占比越小接头承载能力越弱,接头刚度退化越复杂。

基于响应曲面法的成型CBN砂轮高频感应钎焊温度均匀性研究
李奇林, 王西超, 丁凯, 雷卫宁, 陈佳佳
2022, 37(9): 1915-1922. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220041
摘要:

成型砂轮在高频感应钎焊过程中存在温度分布不均匀导致钎焊质量无法满足使用要求,这是长期困扰超硬磨料砂轮高频感应钎焊技术的难题。针对该问题,提出温度均匀性的表征方法,以温度均匀度和平均温度为响应值,基于有限元仿真数据获得了响应曲面法模型。基于该模型,采用方差分析成型砂轮感应钎焊温度均匀性的影响因素显著程度由大到小依次为加热间隙、感应电流、导磁体长度。以平均温度值和温度均匀度为优化目标,基于响应曲面法优化线圈结构和工艺参数,开展了感应加热试验,证明响应曲面法模型优化结果的误差在6.94%以内。高频感应钎焊的成型立方氮化硼(cubic boron nitride,CBN)砂轮宏观形貌显示,钎料在成型面各处铺展的一致性好,表明钎焊过程中在成型面的温度分布具有较好的均匀性。

基于三维叶尖间隙的叶片裂纹动力响应特征分析与诊断方法
黄鑫, 张小栋, 张英杰, 熊逸伟, 刘洪成, 范博超
2022, 37(9): 1923-1935. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20220030
摘要:

将裂纹叶片三维动力响应分析与参数识别方法相结合,分析不同裂纹叶片状态下三维叶尖间隙(3⁃dimensional blade tip clearance,3D⁃BTC)动力响应参量的信息熵特征,并利用稀疏滤波从不同参量信息熵分布中无监督学习叶片裂纹的多尺度动力响应特征,实现裂纹叶片在运行过程中响应变化特征的信息熵定量描述。在此基础上,利用支持向量机(support vector machine,SVM)的强非线性映射能力建立多尺度响应特征空间与状态空间之间复杂映射。经试验证实,所提方法能实现叶片裂纹损伤程度的定量诊断,达到100%的诊断准确率,远优于其他方法,且诊断结果稳定性好。

基于遗传算法优化小波网络的柔性喷管力矩特性辨识方法
杨弘枨, 刘山, 靳广在, 焦玮玮, 姜玉峰
2022, 37(9): 1936-1945. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210350
摘要:

为准确辨识负载力矩并提高主动加载负载模拟的真实度,使用了一种基于遗传算法优化的神经网络辨识方法。使用小波分析方法对测试信号进行预处理,将消噪与分解后得到的信息作为神经网络训练的扩充样本,提高了辨识精度。使用遗传算法选择最优输入信息、网络结构和隐含层规模,加快网络收敛速度并简化计算过程,实现对柔性喷管力矩的快速准确辨识。仿真结果表明该辨识方法可以准确地描述柔性喷管在典型测试信号激励下的力矩特性,平均辨识误差为2%,对于实现精确主动加载控制和验证伺服控制性能具有重要意义。

叶轮机械
变外涵工况下风扇增压级双涵匹配机理
郑覃, 杨小贺, 叶俊, 冯锦璋
2022, 37(9): 1946-1956. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210112
摘要:

针对某型民机大涵道比风扇增压级,在不同外涵工况下开展数值计算,旨在研究风扇增压级双涵性能匹配规律和相应机理。通过分析计算结果,掌握了外涵工况对内涵特性的影响规律:当外涵工况从近堵点移向近喘点的过程中,内涵的流量、总压比、效率逐渐增大,且内涵稳定裕度呈持续增大的变化规律。同时也在获取内涵特性时,掌握了外涵气动性能的变化规律,在不同外涵工况下阐明了内涵逼喘过程中双涵气动性能的相互匹配机理取决于风扇的总压比‑流量特性和内外涵流量再分配机制的共同作用。

一种可变弯度叶片式旋流畸变发生器设计技术
张新雨, 屠宝锋, 方锐, 杨光
2022, 37(9): 1957-1969. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210343
摘要:

为了研究进气旋流畸变对压气机性能和稳定性的影响,设计了一种能够产生典型对涡与整体涡可变弯度叶片式旋流畸变发生器。结合正交仿真试验设计方法,分别以对涡旋流强度为优化目标和以对涡旋流强度、整体涡旋流强度和整体涡总压恢复系数为综合优化目标对旋流畸变发生器的几何参数,包括叶片稠度、叶片数量以及轮毂比等进行气动优化设计,并采用CFD数值模拟仿真研究了旋流畸变发生器生成旋流特征。经过单指标优化分析,旋流畸变发生器生成对涡旋流强度最高可达24.60°,整体涡旋流强度最高可达38.73°。经过多指标综合优化,旋流畸变发生器生成对涡和整体涡的总压恢复系数分别提高了4.26%和3.57%。叶片式旋流畸变发生器设计具有结构简单、操作方便、试验周期短等优点,并具有较好的工程应用性。

转子径距比对燃料电池气体循环泵性能的影响
杨悦民, 张志宇, 李龙, 刘建峰, 黎义斌
2022, 37(9): 1970-1978. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210348
摘要:

为了揭示径距比对凸轮式气体循环泵的气动性能的影响规律,通过坐标变换推导了3叶的圆弧⁃渐开线⁃圆弧转子型线方程,建立6种不同径距比的气体循环泵模型进行对比分析。采用重整化k⁃ε(RNG k⁃ε)湍流模型对转子腔内部进行三维非定常数值计算,结合动网格技术分析转子径距比对气体循环泵流量特性、转子腔速度分布的影响规律,并与试验结果进行对比。结果表明:转子径距比对气体循环泵性能影响较为明显,随着转子径距比由1.34增大到1.45,泵出口平均流量与瞬时流量脉动呈上升趋势,且在1.38~1.40时变化较为明显,平均流量增大了0.001 833 m3/s(15.8%);转子径距比在1.38~1.40时,转子受力较好,对转子径向激励力分量Fx的抑制较为明显,对转子径向激励力分量Fy的影响不显著;随径距比变化,转子腔内涡量分布变化较为明显,转子径距比在1.40时,转子腔内涡量分布较小,有效抑制了气体回流。

动力传输
轴颈倾斜微型气体轴承的热流体动力润滑分析
吴垚, 郗文君, 张彩丽, 曹巨江, 杨利花
2022, 37(9): 1979-1991. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210209
摘要:

基于能量守恒原理推导计入气体稀薄效应的修正能量方程及其有限差分表达式,并通过偏导数法和有限差分法联立求解修正Reynolds方程、修正能量方程、气体黏温关系和气膜厚度方程,详细研究了微型气体轴承静动态性能随结构参数、轴颈倾斜方位角和黏温热效应的变化规律。结果表明:气膜热效应提高了微型气体轴承的承载能力、摩擦因数和动态刚度系数,而降低了直接阻尼系数,轴颈倾斜误差对微型气体轴承的静、动态性能均产生不利影响,计算结果可为提高微型气体动压轴承⁃转子系统的稳定性提供重要理论依据。

湿式摩擦离合器挤压过程及接合特性分析
黄伟, 鲍和云, 朱楚, 朱如鹏
2022, 37(9): 1992-2000. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210353
摘要:

针对湿式摩擦离合器接合过程中的挤压机理及微凸体接触问题,综合考虑摩擦片表面油槽结构,材料渗透性等因素,根据修正雷诺方程和K⁃E(Kogut⁃Etsion)接触模型,对湿式摩擦离合器的挤压过程中的动压承载力、微凸体承载力以及转矩转速变化等建模分析,并采用有限差分法对修正雷诺方程求解,对挤压过程中的油膜压缩速度、油膜厚度变化率和片间承载力等挤压特性和转速、转矩等接合特性展开了仿真分析。并采用SAE#2试验机进行了相关试验获得了转速、转矩、压力、摩擦因数等数据,与仿真分析进行了对比。结果表明:湿式摩擦离合器接合过程可分为3个阶段,通常会在1 s内完成,在0.02 s左右开始从挤压阶段经压紧阶段在0.03 s左右过渡到全微凸体接触阶段,试验与理论分析结果一致。

火箭发动机
节流制冷对低温贮箱主流液体控温影响分析
周振君, 刘欣, 刘晨, 孟楠, 陈世奎
2022, 37(9): 2001-2008. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210212
摘要:

为研究低温流体节流特性及冷量引入对贮箱主流体控温影响,首先对低温流体节流干度和体积含气率进行了分析,结果表明质量占比较小的气相占据了大部分空间体积,对流动速率及换热产生较大影响;建立了节流制冷性能测试平台,采用液氮工质开展了节流前压力为0.3~0.37 MPa工况下的减压降温试验,节流前后降温达到了11.3~14.2 K;在集成节流阀孔的热力学排气系统(TVS)系统中,通过节流制冷使贮箱流体产生了平均6.5 K的温降,将贮箱压力控制在150~160 kPa范围;冷量的引入使主流区液体温度持续波浪式降低,气液界面热分层处的降温效果更加明显。

自动控制
航空发动机热电偶传感器稳态测温偏差分析
孙昊博, 毛晓奇, 朱传龙
2022, 37(9): 2009-2016. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210417
摘要:

为了满足航空发动机上高温、高压、高来流马赫数的恶劣工作环境下的使用需求,对某型航空发动机上选用的低压涡轮后热电偶传感器开展热风洞校准试验及测温准确性分析,明确热电偶传感器测温偏差的影响因素,并通过一种基于表面传热系数推导公式的测温偏差修正方法对校准结果进行计算验证,结果表明,计算方法合理可行,计算结果与测量结果一致性良好,在全部试验点偏差量均小于0.6%。针对现有校准设备无法完全模拟航空发动机真实工况的问题,对校准结果进行修正计算,修正计算结果与真实气流温度偏差在0.7%以内,传感器的稳态测温偏差能够满足在该型航空发动机上的使用需求。